[发明专利]一种改性的碳纤维/环氧树脂复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种改性的碳纤维/环氧树脂复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维增强树脂复合材料（CFRP）为以树脂为基体、碳纤维为增强材料，由先进复合材料的成型工艺制备而成的一系列高性能复合材料。碳纤维增强树脂基复合材料作为先进复合材料的一个重要的分支，具有比强度和比模量高、可设计性好、抗疲劳性能优、耐腐蚀、结构尺寸稳定性好以及结构成型可设计性且便于大面积整体成型的特点。碳纤维增强树脂基复合材料在很多领域得到了广泛的应用，包括航天航空领域、汽车领域、体育用品领域、风电材料等领域。

对于碳纤维增强树脂复合材料而言，增强材料碳纤维与基体树脂的界面性能对于复合材料最终性能有着重要的影响。如果碳纤维增强树脂复合材料中的碳纤维与树脂的界面性能差，会导致复合材料的力学性能下降，特别是层间剪切强度的下降，从而使得复合材料在使用过程中容易出现分层现象，最终导致碳纤维增强树脂复合材料受到破坏，严重的会造成复合材料的失效与破坏。碳纤维增强树脂复合材料中的碳纤维与树脂的界面性能对复合材料的性能有着重要的影响。

常规的碳纤维表面光滑、活性官能团少、表面能低，呈现表面化学惰性，与树脂基体浸润性较差，最终制得的碳纤维增强树脂复合材料界面黏合力较弱。因此需要对碳纤维表面进行改性，提高其与基体树脂的黏结性，进而提高由其制得的碳纤维增强树脂复合材料的性能。目前，碳纤维表面改性方法很多，包括氧化法、刻蚀法、涂层法等，其中近期出现的石墨烯涂层改性碳纤维的方法对于改善碳纤维与树脂界面性能，提高复合材料力学性能等有明显的效果。

张笑晴等（CN201110102007.0一种石墨烯改性碳纤维乳液上浆剂及其制备方法）通过将石墨烯引入碳纤维上浆剂中，再涂覆于碳纤维表面，改善碳纤维与基体树脂之间的界面性能。但是由该方法制得的石墨烯改性碳纤维乳液上浆剂来制备石墨烯改性的碳纤维的过程复杂，需要首先准备上述改性的碳纤维乳液上浆剂、再将该上浆剂涂覆于碳纤维丝上、烘干溶剂、得到改性的碳纤维丝，将改性的碳纤维丝作为制备碳纤维增强树脂复合材料的原料使用。上述改性的碳纤维丝的制备过程复杂，且涂覆于碳纤维丝上的石墨烯改性碳纤维乳液上浆剂的涂覆的量无法控制，从而使得涂覆到碳纤维丝上的石墨烯的量无法控制，最终制得的碳纤维增强树脂复合材料中的石墨烯的量无法控制，且上述制备过程生产耗能大，需要投入的成本高，很难实现大规模的工业化生产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中石墨烯改性碳纤维存在的上述不足，提供一种改性的碳纤维/环氧树脂复合材料及其制备方法，该方制得的复合材料中的石墨烯的量可以由制备过程中控制添加的石墨烯的量来控制，使石墨烯与环氧树脂同时与碳纤维进行浸润，从而使得最终制得的复合材料具有很好的一致性。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种改性的碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将石墨烯与液态环氧树脂混合，得到第一混合物；

（2）在所述第一混合物中加入能使所述液态环氧树脂交联固化的固化剂，得到第二混合物；

（3）采用复合材料成型工艺，以碳纤维与所述第二混合物为原料，使所述液态环氧树脂交联固化后形成与所述碳纤维成一体的改性的碳纤维/环氧树脂复合材料。

优选的是，所述步骤（1）具体为：将所述石墨烯分散于稀释剂中，加入所述液态环氧树脂，蒸干所述稀释剂后得到所述石墨烯与所述液态环氧树脂的第一混合物。

进一步优选的是，所述步骤（1）的操作在超声波的条件下进行，所述超声波的声强为30～120W/cm²，加热温度为40～60℃，加热时间为10分钟～5小时。

优选的是，所述稀释剂为丙酮、乙醇、环己酮、乙二醇、甲苯、苯乙烯中的一种或几种。

优选的是，所述石墨烯与所述稀释剂的比为5～50g/L。

优选的是，所述步骤（1）中的所述石墨烯占所述石墨烯与所述液态环氧树脂的总质量的1～10wt%。

优选的是，所述步骤（2）中的所述液态环氧树脂占该液态环氧树脂与所述步骤（3）中的所述碳纤维的总质量的40～65wt%。

优选的是，所述固化剂的量至少能使所述液态环氧树脂完全固化。

优选的是，所述步骤（3）中的所述复合材料成型工艺为手糊成型工艺、真空袋压成型工艺、树脂转移模塑成型（RTM）工艺中的任意一种。

优选的是，所述步骤（3）中的所述碳纤维为碳纤维丝、碳纤维织物、碳纤维预制体中的任意一种。